专利名称：具有大的光学超晶格波导的高功率半导体激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及通常在光-电子装置中使用的那种高功率半导体二极管激光器，其主要作为所谓的泵浦激光器，以用于光通信领域中的光纤放大器，例如用于掺铒光纤放大器(EDFA)或拉曼放大器。这样的激光器通常具有单个腔体并工作在单个横向和垂直模式。它们在给定的频带提供具有高功率输出的窄带宽的光辐射。特别是，本发明涉及工作在大于1100nm波长的这样的激光器。
背景与现有技术上述的那种半导体激光器例如已经成为光通信技术中的重要部件，特别是因为这样的激光器可用于由光学装置立即放大光信号。这允许设计全光纤通信系统，从而避免要被发送的信号的任何复杂的变换，这提高了速度以及在这样的系统内的可靠性。
在一种光纤通信系统中，激光器可用于泵激掺铒光纤放大器(所谓的EDFA)，这些EDFA已在本领域技术人员所知的各种专利和出版物中进行了描述。技术重要性的例子是三种主要的类型，典型地用于相应于铒的吸收波长的铒放大器应变量子阱InGaAs激光器被使用于980nm；GaAlAs激光器被使用于820nm；以及InGaAsP和多量子阱InGaAs激光器被使用于1480nm。本发明尤其针对后一种类型的激光器，即用于大于1100nm的波长的激光器，以及例如可以在1480nm的InGaAsP、多量子阱InGaAs激光器、或AlGaInAs/InP中被实施。
为了利用这样的激光二极管达到想要的结果，激光器的出射光束的低的垂直的远场被认为是有利的，与近场的大的垂直扩展相联系，以得到激光器中低的光学功率密度以及对于光纤耦合的增强的耦合效率。另外，低的内部损耗对于有效的高功率操作是重要的。然而，对于这里提出的激光器组达到这一点不是容易的任务。
这里，对于这样的激光二极管的技术实现方案的一些注释似乎是适当的。本领域技术人员区分光学近场(即在激光腔内的光学模式)与光学远场(即在激光器外的光学模式)。近场的横向尺寸由激光二极管的横向结构确定。这样做是为了避免激光器工作在较高阶的模式。横向尺寸通常是几微米，典型地在2到5微米之间。由于具有大的垂直光学近场的有效的激光器结构的困难的实现方案，所以垂直方向的尺寸典型地小得多，通常小于1微米，常常是在十分之几微米的范围内。
由于近场的垂直尺寸比横向尺寸小得多，所以相应的远场具有大的垂直远场角，而它们的横向角度典型地小得多。这是由于光束当从激光腔出射时衍射的结果。因此，在这里所讨论类型的波导激光器中，近场通常具有水平延伸的椭圆的形状，而远场具有垂直延伸的椭圆的形状。这种情形是基于如
图1所示的水平放置的激光器。
光纤(光纤网络的另一个重要的部件)通常具有圆形截面，它可惜与远场的椭圆形截面不匹配。为避免由于这种失配造成的损失已作出重大的努力，因为最终是被耦合到光纤的功率而不是激光二极管的“原始”功率确定光纤网络的性能。这些努力之一是改进在激光器的远场与光纤之间的耦合。成形远场的形式因此似乎是特别有希望的方法。
为了匹配光纤的截面，垂直远场上的减小是有利的。这可以通过实现大的垂直近场而达到。这样的椭圆光学近场的大的垂直扩展可以通过微弱地引导在垂直方向上的光学模式而达到。为了特别是对于长的腔体得到高的效率，激光器结构必须具有低的内部光损耗，其中长的腔体对于良好的散热是重要的。对于基于InP的材料的系统，已知的是，光学损耗的主要来源来自于在p型掺杂区域中占优势的自由载流子吸收。所以，优选地，该模式在非对称波导装置的激光器结构的n掺杂部分中被引导。
为了在大的波导中引导该模式，需要波导层与周围的(覆盖)层的折射率之间的小的反差。在基于InP的材料中，选择由InP制成的覆盖层是有利的，因为二元合金比起三元或四元合金来说改进了电和热的传导。为了得到波导与覆盖层的折射率的小的反差，需要相对较低的折射率四元材料。这是以需要低于大约1000nm(1.0μm)的光致发光波长(λPL)为特征的。
这样的结构的图显示于图1，下面作进一步说明。已知的是，这些材料的厚层的合成难以控制。缺乏控制易于导致最终得到的模式分布的失真，从而恶化激光二极管的性能以及大大减少制造过程的产量。所以，低折射率波导由允许较容易控制的一组材料制成，所述材料例如像InP和具有1100nm(1.10μm)或更大的λPL的材料(通常称为Q1.10材料)。用于波导的所需的平均折射率现在可通过适当地改变一对InP和Q1.10材料层的厚度而容易地得到。
与在具有大的延伸的波导中的弱引导模式有关的另一个问题是，这些波导潜在地是多模波导，即允许生成和引导较高阶的模式。利用按照本发明的解决方案，有可能通过使用能够实现在潜在地多模垂直波导中鉴别较高阶模式的任意梯度的折射率分布，形成用于零阶和更高阶模式的模式分布。
第三个问题与非对称波导中的弱引导模式有关。非对称波导是有利的，因为该模式的大部分强度在其中自由载流子吸收不占优势的区域的n掺杂的部分中被引导。通常非对称波导是利用被嵌入在工作波导附近的激光器结构的n覆盖中的附加的小波导而实现的。虽然在这样的非对称波导中增加了模式的尺寸，但这些波导往往对于折射率的改变是不稳定的(例如由于加热或载流子密度改变)，因为附加的波导需要变得非常大，以及处于到工作波导的很大的距离。通过使用本发明的大的光学超晶格(LOSL)的方法，模式更加稳定得多地被引导，因为附加波导的影响被分布到具有相对于覆盖的平均的低折射率反差的大波导上。
多个解决方案已经试图解决以上问题。然而，这些解决方案中没有一个令人满意地工作。为了更好地理解，下面描述大多数尝试的相关解决方案中的一些解决方案。
在T.Namegaya，R.Katsumi等人的“1.48μm high-powerGaInAsP-InP graded-index sepafate-confinement-heterostructure multiple-quantum-well laser diodes(1.48微米高功率GaInAsP-InP梯度折射率分开的限制异质结构的多量子阱激光二极管)”，IEEE Journal of Quantum Electronics，V.29 No.6，June 1993，pp.1924-1931中描述的一个解决方案使用对称的小波导。这些波导是具有比材料波长小得多的尺寸的波导。它们松驰地引导模式，并可用于实现大的近场以及因此小的远场。不幸地，这些波导呈现与来自具有p掺杂的材料的模式的重叠的高的自由载流子吸收有关的高的光学损耗。所以，在基于InP的材料系统中，这些激光器典型地显示低的效率。
另一个已知的解决方案使用包含低折射率材料的对称的大波导，正如在M.Maiorov等人的“High power InGaAsP/InP broad-waveguide single-mode ridge-waveguide lasers(高功率InGaAsP/InP宽波导单模脊形波导激光器)”，Optical FiberCommunication Conferennce and Exhibit，2001.OFC 2001，V.3，2001，pp.WC2-1-3 vol.3中描述的。这些是具有远大于材料波长的尺寸的非掺杂波导；它们再次松驰地引导模式，因此可用于实现大的近场以及因此小的远场。虽然在未掺杂的波导中的光学损耗低，但这些波导由于以下原因而不是非常适合的-低折射率材料的控制是困难的；-由于大的无掺杂的区域，所以出现附加的不想要的电压降；-对于应当运行在横向单模式操作的激光器，需要刻蚀到波导上以得到足够强的横向引导。这引起制造问题(因为例如在带形波导激光器中蚀刻深度的控制是困难的)和可靠性问题(由于在激光器的蚀刻面上载流子的更高的聚集)。
另一个解决方案是使用附加波导的非对称波导，正如在转让给本发明的受让人的B.Reid等人的美国专利申请10/141914中所示。这些设备具有被最有利地放置在能够减小光损耗的激光器结构的n部分中的附加波导。附加波导在对于模式有稍微的扰动时工作，所以被限于减小的厚度和离工作波导的距离，禁止到达非常低的远场角度。对于附加波导的延长的尺寸和距离，这样的结构易发生不稳定，特别是当例如由于加热或载流子密度改变而引起折射率改变时，造成性能的恶化。
再一个解决方案试验数字合金和小的电子超晶格。这个思想在于，低的平均的折射率可以通过在半导体材料上交替具有载流子(电子)的德布罗意波长的量级的厚度的层(最经常是二元或三元合金)以导致小的电子超晶格而得到。这也可以通过以极精密的尺度交替层而得到，厚度处于单层的范围，即通过制作如在A.Ginty等人的“Longwavelength quantum well lasers with InGaAs/InP superlatticeoptical confinement and barrier layers(具有InGaAs/InP超晶格光学限制和阻挡层的长波长量子阱激光器)”，Electronics Letters，V.29，No.8，15 April 1993，pp.684-685中描述的数字合金。两种方法用来产生平均电子特性，即平均带隙能量。另外，第一种方法典型地被实现为提供用于载流子的附加能隙的谐振结构，正如在R.V.Chelakara等人的“Enhancement of potential barrier heightby superlattice barriers in the InGaAsP/InP materialssystem(在InGaAsP/InP材料系统中通过超晶格阻挡层增强潜在的阻挡高度)”，Electronics Letters，V.31，No.4，16 February 1995，pp.321-323中所显示的。然而，这两种方法中没有一种适合于光学引导所需要的大得多的尺寸。这是由于与这种技术有关的大量的接口，接口潜在地导致减小的电子迁移率和畸变的形态。另外，达到想要的生长是困难的，因为需要精确控制层的厚度来得到需要的平均折射率。
得到大的垂直远场的另一个解决方案是光点大小变换器，正如在M.Wada等人的“Fabrication and coupling-to-fibrecharacteristics of laser diodes integrated with a spot-sizeconverter having a lateral taper(与具有横向锥体的光点大小变换器集成在一起的激光二极管的制造和耦合到光纤的特性)”，IEEProceedings in Optoelectronics，V.144，No.2，April 1997，pp.104-108中公开的。这个解决方案使用在具有附加波导的非对称结构中与垂直模式的引导有关的非稳定性的效应来抑制趋向基片的所引导模式到工作波导下面的大的附加波导中。这必须绝热地完成并需要附加处理过程或生长步骤。另外，作为激光二极管的一部分的光点大小变换器是无源的，从而使得这样的器件对于用作高功率激光二极管是不太有效率的。
再一个解决方案在于提供反谐振反射光波导(ARROW)。这样的解决方案在M.Galarza等人的“Mode-expanded 1.55-/spl mu/mInP-InGaAsP Fabry-Perot lasers using ARROW waveguides forefficient fiber coupling(使用用于有效的光纤耦合的模式扩展的1.55-/spl mu/m InP-InGaAsP Fabry-Perot激光器)”，IEEE Journalon Selected Topics in Quantum Electronics，V.8，No.6，November/December 2002，pp.1389-1398和A.M.Kubica的“Designof antiresonant reflecting optical waveguides with anarbitrary refractive index profile core layer(具有任意折射率分布核心层的反谐振反射光波导的设计)”，the Lasers andElectro-Optics Society Annual Meeting 1994，LEOS ’94Conference Proceedings.IEEE，V.2，31 October-3November 1994，pp.63-64中进行了描述。这样的垂直ARROW结构用玻璃以及半导体材料来实现。在这些结构中，相关的层需要具有特定的尺寸，以使得模式呈现谐振。这些需要的尺寸限制设计的可能性并使得ARROW结构对于许多实际的用途是无用的。另外，ARROW结构实际上只显示有限的性能，主要是由于对于整个工作方式需要得到谐振条件，而增强的即“引导的”模式基本上是有损耗的模式。
通常，激光器的“高斜率(high slope)效率”，即高的辐射输出对电流输入，显然需要低的内部损耗，以在由于受热引起的热效应造成输出功率开始恶化之前达到高的输出功率。另一方面，有效的散热需要大的芯片尺寸，由于较少的光可从腔体出射，所以这不幸地减小了斜率效率。因此，激光器的内部损耗和如何使得该损耗最小化不但在如今的激光器设计中起着主要的作用，而且实际上限制可达到的功率输出。知道这一点，最有效地使用激光器的输出和避免任何不必要的损耗变得更为重要。这里，按照本发明的激光器通过提供减小的垂直远场来大大地提高在激光器与光纤之间的耦合效率，以及所以代表在激光器设计方面的重要步骤。
因此，本发明的主要和首要的目的是提供一种对于以上进一步提出的问题的解决方案并克服所描述的现有技术设计方案的缺点和局限性。这是通过设计其制造是容易的并提供高产量的简单而可靠的高功率激光器结构而达到的。这样的激光器对于在光纤通信系统中的泵浦激光器(例如高功率EDFA和拉曼泵浦激光器设计)是特别有用的，它必须提供稳定的输出，以及同时必须显示前沿性能。
发明简述按照本发明的新颖的高功率激光器结构具有包括增益区和波导的连续的工作区以及在覆盖层中的光学波导，它的垂直部分包含或包括光学超晶格，由此超晶格本身包含或包括具有交替的折射率的层的排列。这能够实现低的垂直远场和减小的光学损耗，正如对于高功率运行所需要的，例如作为用于拉曼放大器的泵浦源。大的光学超晶格(LOSL)被设计成通过弱垂直引导光学模式以导致变宽的近场模式而产生想要的低的垂直远场。这是由从大的光学超晶格(LOSL)的各个层中得到的低平均折射率造成的。
在激光器结构中LOSL的提供克服了与具有低折射率(即接近覆盖层的数值)的材料的生长有关的问题。对于四元合金，例如对于在材料系统InP/InGaAsP中具有大大地小于1100nm的光致发光波长的四元合金来说情形尤其是这样的。在这种波长区域中，众所周知难以实现组成成分的良好控制。利用本发明，LOSL的各个层由其组成成分容易控制的材料组成，并且这些层具有光的材料波长的尺寸或更小的尺寸，即真空中的波长除以材料的折射率。所以，进行光学特性的平均，而电子特性仍旧是各个层的电子特性。改变各个层的厚度允许容易地调节LOSL的平均折射率。它也允许通过有意的厚度变化进行引导的零阶和更高阶模式的分布成形。
使用这种技术允许相对较简单地制作具有恒定的或线性梯度的(G-LOSL)或任意成形(S-LOSL)的折射率分布的大的光学波导。LOSL对于支持模式的非对称引导的结构是特别有利的，即其中模式主要在激光器结构的n掺杂的部分中被引导以减小自由载流子的吸收。这可以通过非对称大的光学超晶格(A-LOSL)来实现。
按照本发明的LOSL也可以与光栅(例如布拉格光栅)相组合，供在分布反馈激光器(DFB)中使用。
附图简述下面参考附图描述本发明的功能和优选实施例。附图被提供以用于说明的目的，并且不一定是按比例的。
图1显示按照本发明包括超晶格的具有各个层的的半导体激光二极管的示意性横截面；图2显示按照现有技术具有低折射率材料的大的非对称波导的折射率分布；图3显示按照本发明在此具有非对称大的光学超晶格(LOSL)的波导的第一折射率分布；图4显示按照本发明在此具有线性梯度的大的光学超晶格(G-LOSL)的波导的第二折射率分布；以及图5显示按照本发明在此具有非对称成形的大的光学超晶格(S-LOSL)的波导的第三折射率分布。
实施例详述图1显示按照本发明的半导体激光二极管的基本布局，即基本部件的截面，连同在右面的相关折射率的分布。从图1所示结构的底部开始，n+InP层代表用于激光器结构的外延生长的InP基片，后面是nInP层，二者都是从现有技术中已知的。在这个较低的覆盖层上放置光学超晶格，后面是具有增益区和波导的激光器的工作区。优选地，光学超晶格接近于具有低折射率以及因此是高带隙的材料的工作区而终结。最优选地，具有低折射率的材料由InP组成。在工作区的顶部放置另一个覆盖层，这里是pInP，其形成激光器脊形波导，在脊形的上面具有窄的p+InGaAs层。整个结构在顶部载有金属化。
因此，新颖的激光器设计引入被嵌入在p掺杂和n掺杂的覆盖层中的工作波导。本发明的焦点是位于覆盖层之一的大的光学超晶格(LOSL)。虽然图1的LOSL被显示在n_InP覆盖层内，但它也可以形成覆盖层的“末端”，其位于p_InP层与工作区之间，即在工作区的顶部，或在工作区的两侧。
然而，似乎最有利的是LOSL被非对称地安排为朝向该结构的n侧的非对称的大的光学超晶格(A-LOSL)，因此能够实现在光学损耗低的结构的n掺杂的层中占优势的模式引导。
图1的图中在激光器的右面显示沿激光器的截面(即垂直于激光器的纵向延伸)的折射率的分布，较高的折射率被描绘为更靠近左面的数值。图1的图的取向被选择为激光器的给定的取向。因此，较高的折射率值向左延伸，这由箭头“折射率”表示。折射率越低，半导体材料的带隙的能量越高；这由在图的顶部标记为“能量”的箭头表示。
正如图1的折射率图所表示的，大的光学超晶格(LOSL)具有提供在激光器的垂直延伸部分中的折射率的交替分布的结构。这是本发明的核心创新性概念的一个可能的实施方案，在它的变化和调节方面引起优于现有技术的上述的优点。
从这个一般原理出发，即提供在激光器的工作层附近的大的光学超晶格(LOSL)，现在参考其余的附图讨论可能的变化。
图2显示(类似于图1的图，但现在是水平取向)在现有技术中使用的激光二极管上的折射率的分布。在(未示出的)基片上的n覆盖层(显示在右面)后面是具有低折射率的大的非对称波导。后者的上面是工作区和量子阱(QW)，后面是另一个覆盖层，通常是p覆盖层。
如上所讨论的，本发明用以特定的方式构建的至少一个非均匀波导(即作为具有规定的总折射率的大的光学超晶格结构(LOSL))代替按照现有技术的基本上均匀的波导。
简言之，这个LOSL在垂直方向上非常弱地引导模式，因此能够实现在近场中模式的大的扩展，这又导致压缩的垂直远场。
按照本发明的LOSL优选地是多层结构。它可以被掺杂以避免与在各个层之间的界面处载流子输送有关的问题。每个单独的层的厚度被设计成导致非常低的平均折射率--优选地接近于覆盖层的折射率。LOSL因此代替均匀的低折射率的材料，该材料难以生长，特别是对于几微米量级的想要的大的厚度。
LOSL的各个层的厚度被选择为使得引导模式(即近场模式)“看见”LOSL层的光学特性的平均值，即折射率的平均值。然而，电子特性仍旧保持各个层的特性。
LOSL层的典型的厚度是从20nm到500nm的范围。下限由导致象载流子的谐振反射的不想要的效应的量子效应的开始给出。这相应于大于材料的德布罗意波长的较低的厚度极限，该德布罗意波长可以小于或约为20nm。上限值由在材料中光的波长确定，其中由近场模式看见的各个层的光学特性的平滑开始是不完全的。
图3显示用于LOSL的恒定的“平均的”设计的折射率。折射率与厚度对于各种交替的LOSL层的每个是相同的，从而导致对于整个LOSL结构的恒定的平均折射率。
除了上面图3所描述的由LOSL实现的折射率的或多或少的均匀的平均值以外，也有可能特别地成形对于零阶和更高阶模式的近场模式分布。
图4显示实施这样的LOSL的一个可能性。使用具有对于每层同一个折射率但具有不同厚度的LOSL结构，特别是选择对于从工作区向相邻的覆盖层降低的一个层的厚度，导致线性梯度光学超晶格，即G-LOSL。这样的G-LOSL呈现从波导向覆盖层可以说逐渐终结的折射率分布。
图5显示另一个成形的折射率分布，它也能够鉴别在潜在的多模垂直波导中较高阶的模式。使用具有对于每层同一个折射率但在LOSL的中心具有厚度最大值的LOSL结构，导致成形的光学超晶格，即S-LOSL。
对本领域技术人员来说显而易见的是，垂直模式的鉴别可以通过选择和修正沿波导的垂直方向的掺杂水平连同LOSL层的恒定的或修正的厚度而被进一步增强。通常将选择把高掺杂水平置于在垂直LOSL波导中的那些较高阶模式的强度高以及其中零阶模式的强度低的点。
较高阶模式显示强度的多极值，而零阶模式只显示单个最大值。因此，放置用于模式鉴别的高掺杂级的最适当的位置是那些较高阶模式的强度高以及同时较高阶模式与零阶模式的重叠是最小的那些位置。在这种情形下，较高阶模式由于附加损耗受到有效的衰减，而不牺牲对于零阶模式的低内部损耗。
现在，实现本发明的最优选的方法为如下。
在基于InP的混合物中LOSL概念是利用激光器的工作区的先验的知识实现的。这确定激光器的发射波长和器件的基模的想要的有效的折射率的一级近似。
然后选择用于LOSL的一对材料，所述材料可以以与制作激光器的工作结构时相同的生长方式进行生长。最好的选择在于得到一种具有小于上述的第一折射率近似的折射率的材料和另一种具有大于所述第一近似的折射率的材料。
然而，除了纯光学考虑之外的考虑可以限制选择的可能性。必须考虑材料的外延生长的可行性。最好的选择在于取两种材料，其晶格参数严格等于在其上通过使用已知的一种技术来外延生长所有层的半导体基片的晶格参数。显然，对于LOSL选择的这两种材料没有一种应当占有小于组成激光束的光子的能量的带隙能量。这两种LOSL材料的电和热的特性必须与对于在高功率激光二极管中使用的材料所预期的通常的特性相兼容。特别是，这两种材料中的n掺杂水平应当接近等于激光器结构的覆盖层的水平。
对于具有1400nm到1550nm发射波长的激光器，最合适的材料是在所谓的“InP晶格匹配的”InGaAsP四元合金当中，其在室温下具有在940nm与1300nm之间的发射波长，并且n型掺杂在1×1017cm-3与5×1018cm-3之间。
对于具有1200nm到1300nm波长的激光器，材料的最好的选择是在所谓的“InP晶格匹配的”InGaAsP四元合金当中，其在室温下具有在940nm与1100nm之间的发射波长，并且n型掺杂再次在1×1017cm-3与5×1018cm-3之间。
理想地，这两种材料之一是InP本身，因为它在串联电阻、载流子限制特性和良好的热传导性方面有卓越的质量。
LOSL的选择的总厚度是基于想要的特定的设计点。对于具有1400nm到1550nm波长的激光器，LOSL的总厚度优选地是处在1000nm与7000nm之间的范围。
在两个LOSL之间的交替的选择的总数取决于由生长系统对于在具有多个交界面的外延层的晶体质量施加的限制。在至今描述的实施例中，可以使用在4与20之间的这样的交替。
LOSL的折射率分布的选择取决于想要的制造过程的复杂性。恒定的分布具有实现简单的优点，但梯度分布，特别是如上所述的线性或抛物线分布导致更好的激光器。通过使用梯度分布，局部平均的折射率在靠近激光二极管的工作区应当较高，而在LOSL的相反的一端，即离激光腔更远的一端应当较低。
本领域技术人员在根据激光二极管的想要的功能确定最好的选择方面应当没有问题。具有可变厚度的两种材料的交替层的最终得到的序列可以通过使用应用到给定材料的折射率数值的标准算法而进行计算。必须注意保持较低的带隙材料的每个单个厚度大于在发生横向电子运动的量子化的情形下的典型厚度，即大于德布罗意波长，其典型地可以是20nm或更小。还应当注意选择LOSL层的厚度小于典型地一个光学波长，即小于大约500nm。
对于一对不同材料的相邻层，局部稀释因子被规定为较低的带隙材料的厚度除以两层的厚度的和。为了高的激光器效率和为了达到低的垂直光束发散和/或低的内部损耗水平，稀释因子应当在5％与30％之间。
对于按照图3的LOSL，选择以下的材料和尺寸。
较低折射率的材料是具有430nm厚度的InP的层。较高折射率的材料是具有按照Q1.10的波长的组成成分和70nm的厚度的InGsAsP。总共10个交替的层导致5000nm的LSOL的总厚度。所有的层将是以5×1017cm- 3的n掺杂的。
对于LOSL的功能，在InP基片与LOSL之间的n掺杂的InP层是非关键的，并且可被选择为约1.5μm以及被掺杂至约5×1017cm-3。
具有被嵌入在薄的波导区域中的多量子阱的工作区、p掺杂的上部覆盖层和InGaAs接触层完成该结构。这在现有技术中基本上是已知的。
例如通过把脊形波导实现为p掺杂的覆盖层而实现这样的激光器以作为横向单模激光二极管，在p覆盖中在想要的位置处将有利地使用InGaAsP的薄的蚀刻停止层。
利用被实现为脊形波导激光二极管的激光器结构，可以达到以超过1W在20℃连续波运行。横向和垂直的远场图案分别相当于7°和13.8°的半峰全宽(FWHM)。在对于所有驱动电流的横向和垂直方向上发射是单模。这是比起现有技术方法的重大的改进，该现有技术方法导致约400-700mW的功率电平，垂直远场大至25°FWHM，或甚至40°。由于低的内部损耗，利用按照本发明的激光器得到对于3.6mm长的激光器器件超过0.45W/A的斜度效率。利用这样的腔体长度的现有技术器件，达到仅仅约0.27到0.35W/A的效率。
原则上，上述的各种实施例的任一个看起来类似于或甚至等同于图1所示的示意性结构，并且本领域技术人员应当没有问题地确定和改变技术细节，特别是空间排列。正如清楚地描述的，本发明的重要的方面是与现有技术相异的各种尺寸的不同寻常的选择。这些不同寻常的尺寸提供本发明的想要的改进的功能。
权利要求
1.一种用于产生给定波长的激光束的高功率半导体激光器，所述激光器包括-包括增益区和波导的工作区，-一个或多个覆盖层，其特征在于-在所述覆盖层之一中的大的光学超晶格结构(LOSL)，所述超晶格结构是或包括至少两个超晶格层，所述超晶格层在它们的相应折射率方面是不同的，每个所述层具有大于在所述工作区中电子的德布罗意波长的厚度。
2.按照权利要求1的激光器，其中-每个所述超晶格层具有至少20nm的厚度，优选地在20nm与500nm之间。
3.按照权利要求1或2的激光器，其中-超晶格结构包括至少两个交替地层叠的超晶格层，它们整体地产生所述超晶格结构的预定的总折射率。
4.按照权利要求1的激光器，其中-不同的折射率是通过不同的材料组成成分和/或不同的掺杂水平和/或超晶格层的不同的尺寸而实现的。
5.按照权利要求4的激光器，其中-不同的折射率是通过超晶格层的不同厚度而实现的。
6.按照权利要求4的激光器，其中-至少两个超晶格层具有基本上相同的厚度。
7.按照权利要求4的激光器，其中-相同折射率的至少两个超晶格层具有基本上相同的厚度。
8.按照权利要求4的激光器，其中-超晶格层的厚度基本上是均匀的。
9.按照任一前述权利要求的激光器，其中-设置有具有折射率之一的多个超晶格层，以及-所述超晶格层在它们的厚度上是变化的。
10.按照权利要求9的激光器，其中-超晶格层在它们的厚度上是变化的，从接近于工作区的最大厚度垂直地减小。
11.按照权利要求9的激光器，其中-超晶格层在它们的厚度上是变化的，从接近于工作区的最小厚度垂直地增加。
12.按照权利要求9的激光器，其中-超晶格层在它们的厚度上垂直地变化，具有接近于工作区的最小厚度，接着是位于中心的最大厚度，以及远离所述工作区的最小厚度。
13.按照权利要求9的激光器，其中-超晶格层在它们的厚度上垂直地变化，具有接近于工作区的最大厚度，接着是位于中心的最小厚度，以及远离所述工作区的最大厚度。
14.按照任一前述权利要求的激光器，其中-基于InP的混合物或InP被用于至少一个超晶格层。
15.按照任一前述权利要求的激光器，其中-至少两个超晶格层呈现近似相同的掺杂水平，优选地是n掺杂水平。
16.按照任一前述权利要求的激光器，其中-至少两个超晶格层呈现不同的掺杂水平，优选地是n掺杂水平，但所述两个超晶格层的尺寸和/或材料是近似相同的。
17.按照任一前述权利要求的激光器，其中-至少一个超晶格层呈现变化的掺杂水平，优选地是n掺杂水平，即在具有所述激光器的较高阶模式的高强度和具有较高阶模式与零阶模式的低的重叠的位置处高的掺杂水平。
18.按照任一前述权利要求的激光器，其中-两个超晶格层的尺寸和/或材料是近似相同的。
19.按照任一前述权利要求的激光器，其中-对于具有约1400nm到1550nm波长的激光器，超晶格层从以下材料进行选择-具有在940nm与1300nm之间的发射波长的InGaAsP四元合金以及-n型掺杂在约1×1017cm-3与5×1018cm-3之间。
20.按照任一前述权利要求的激光器，其中-对于具有约1200nm到1300nm波长的激光器，超晶格层从以下材料进行选择-具有在940nm与1100nm之间的发射波长的InGaAsP四元合金，以及-n型掺杂在约1×1017cm-3与5×1018cm-3之间。
21.按照任一前述权利要求的激光器，其中-超晶格层之一呈现与覆盖层之一至少近似相同幅度的折射率。
22.按照任一前述权利要求的激光器，其中-超晶格层之一呈现至少近似等于相邻的覆盖层的晶格参数的晶格参数。
23.按照任一前述权利要求的激光器，其中-与工作区相邻的超晶格层呈现至少两个折射率的较低的折射率。
24.按照任一前述权利要求的激光器，其中-与工作区相邻的超晶格层呈现与覆盖层之一相同幅度的折射率。
25.按照任一前述权利要求的激光器，其中-超晶格层之一由与覆盖层之一相同的材料组成，所述材料优选地是InP。
26.按照任一前述权利要求的激光器，其中-超晶格层的n掺杂水平至少近似等于相邻的覆盖层的n掺杂水平。
27.按照任一前述权利要求的激光器，其中-大的光学超晶格结构包括具有至少两个不同折射率的4与20之间的超晶格层。
28.按照任一前述权利要求的激光器，其中-对于以在约1400nm与1550nm之间的波长发射的激光器，光学超晶格结构的总厚度在1000nm与7000nm之间。
全文摘要
本发明涉及在光－电子装置中通常使用的那种高功率半导体二极管激光器，其主要作为所谓的泵浦激光器，以用于光通信领域中的光纤放大器，例如用于掺铒光纤放大器(EDFA)或拉曼放大器。这样的激光器具有单个腔体以及工作在单横向模式，它通过把多层大的光学超晶格结构(LOSL)设置在至少一个提供的覆盖层中而被改进。这个LOSL提供出射光束的很大改进的形状，从而允许将高功率有效地耦合到光－电子网络的光纤。
文档编号H01S5/00GK1778024SQ200480010483
公开日2006年5月24日 申请日期2004年3月10日 优先权日2003年3月19日
发明者N·利希滕斯泰因, A·C·费利, B·里德 申请人:布克哈姆技术公共有限公司